五彩灣礦區沖洪積細砂型包氣帶防污性能評價

陳 凱 王文科,2 馬文清 張紫昭,4 儲春妹

(1.新疆大學地質與礦業工程學院，新疆自治區烏魯木齊市，830046；2.長安大學環境科學與工程學院，陜西省西安市，710054;3.新疆地礦局第一水文工程地質大隊，新疆自治區烏魯木齊市，830091；4.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇省徐州市，221116)

準東煤田是我國規劃建設的第14個能源基地之一，同時也是國家“一帶一路”倡議礦產資源開發的核心區域之一。準東煤田位于新疆昌吉回族自治州境內，煤炭預測地質儲量3747.6億t，該能源基地煤炭儲量大，儲存條件好，煤質以長焰煤、不沾煤和弱粘煤為主，適用于煤電煤化工生產。因此，對五彩灣一號礦井煤炭資源的開發和利用，不僅可以帶動整個五彩灣礦區的發展，同時也對新疆區域經濟的發展具有重要的促進作用。

近幾年，許多專家和學者對準東煤田開發引起的地質和環境問題進行了不同方面的研究，但是對于準東煤田開采所引起的地下水環境問題和生態效應破壞問題的研究則相對比較欠缺。因此，本文以五彩灣礦區一號礦井為研究對象，在對研究區自然地理概況和地質條件全面分析的基礎上，首先對五彩灣礦區一號礦井包氣帶的地層巖性和分布規律進行分析，接著通過滲水試驗對研究區包氣帶的防污性能進行了研究和評價，最后對研究區內土壤質量進行了分析和評價。通過對五彩灣一號礦井包氣帶防污性能的研究，可以為干旱-半干旱礦區的安全開采以及生態環境評價提供地學基礎。

1 研究區地質條件

1.1 氣象水文

研究區屬大陸干旱荒漠氣候，年溫差和晝夜溫差變化較大。5-9月高溫炎熱，白天氣溫常在40℃以上，絕對最高氣溫可達41.2℃；12月至次年2月氣候嚴寒，絕對最低氣溫可降至-49.8℃(1969年1月26日)；5-8月偶有雷陣雨，冬季積雪稀少；冰凍期5個半月，凍土最大深度為1.3 m。根據研究區2015年氣象資料顯示，該區降雨量為46.1 mm/a，蒸發量為1501.8 mm/a。研究區內地表無常年水流，夏季降雨形成的暫時性水流多向西北方向排泄，部分在低洼地匯集蒸發，形成平坦的淤積泥板地。區內第四系分布廣泛，由于水位埋深較淺，且受新近系上新統獨山子組地層阻隔，因此在區內北部的部分地勢低洼處形成地下水淺埋區。

1.2 地形地貌

研究區位于準噶爾盆地東南部，總體地勢東南高西北低，海拔為474～506 m，最大高差為32 m。按照地貌成因和形態類型可將研究區劃分為剝蝕準平原和風積沙漠兩種地貌類型。其中主井工業場地和臨時排矸場一帶地形相對平坦，具有剝蝕準平原的地貌特征，而副井工業場地一帶多見小型沙丘分布，地形略有起伏，風積沙漠的特征相對明顯。

1.3 地層巖性

研究區內鉆孔揭露的地層主要為三疊系中-上統小泉溝群、侏羅系下統八道灣組、三工河組、中統西山窯組、中上統石樹溝群、白堊系下統吐谷魯群、新近系上統獨山子組以及第四系。

1.4 地質構造

研究區地質構造類型較為簡單，該研究區位于帳蓬溝背斜的西翼，主要構造為火燒山背斜與西大溝向斜，其火燒山背斜和西大溝向斜在研究區北部走向均為近南北向，臨近研究區走向轉為北東-南西向，并逐漸傾伏消失。

1.5 水文地質

研究區屬天山北麓小河流域地下水系統北緣，根據研究區地下水的賦存條件、含水層的結構特點及富水性性質，將區內地下水類型劃分為五個含水巖組和一個相對隔水巖組。

研究區地下水類型以第四系松散巖類孔隙潛水為主，其地層巖性主要以細砂和砂礫石為主。地下水由東南向西北方向徑流，地下水位埋深均小于10 m，地下水位標高在470～500 m之間，水力坡度為0.002～0.003。此外，區內地下水主要接收上游側向徑流補給，排泄方式主要包括以向下游側向徑流、蒸發、蒸騰的方式排泄以及未來礦坑的疏干排水。

2 研究區包氣帶特征分析

研究區內包氣帶巖性均為第四系上更新統沖洪積細砂型，該類沖洪積細砂型包氣帶結構在準東煤田能源基地具有一定的廣泛性，其包氣帶厚度分布較均勻，一般小于3 m，其中在主井工業場地包氣帶厚度為1.94 m，其包氣帶地層剖面柱狀圖如圖1所示，副井工業場地包氣帶厚度為1.35 m，臨時排矸場包氣帶厚度為1.21 m，副井工業場地南側約1.2 km處包氣帶厚度為0.90 m。研究區包氣帶厚度等值線圖如圖2所示。

由圖2可以看出，區內南部包氣帶厚度呈現出由南向北逐漸減小的分布規律，南部地區包氣帶厚度一般為4～6 m，而向北至工業場地一帶，包氣帶厚度減小至1～2 m，局部地區小于1 m。在準東公路沿線一帶，由于下部新近系隆起，第四系孔隙水富水性變差，滲透系數減小，地下水位埋深也隨著增大，包氣帶厚度一般為4～6 m，鉆孔KT4周圍包氣帶厚度大于8 m。而內區東北角由于地勢急劇降低，水位埋深又逐漸增大，一般為2～4 m，探井TJ6周圍包氣帶厚度小于2 m。總體來看，區內包氣帶厚度變化趨勢并不明顯，空間分布較均勻。

圖2 研究區包氣帶厚度等值線圖

3 研究區包氣帶防污性能評價

原位滲水試驗是野外測定包氣帶非飽和巖層滲透系數的一種簡易方法，最常用的是試坑法、單環法和雙環法。此外，為了達到消除垂向滲水過程中側向滲流不利影響的目的，通常會采用雙環法。同時，雙環法測定滲透系數精度也比單環法和試坑法要高，并且具有其裝置操作簡單和數據處理容易的特點。因此，在水文地質參數測定中應用廣泛。

3.1 試驗地點的選取

在對研究區自然地理概況和地質條件分析的基礎上，分別在研究區1號礦井的主井工業場地、副井工業場地、臨時排矸場和副井工業場地南側等4處位置分別布置1組雙環法滲水試驗。

3.2 試驗方法和過程

在4個典型的滲水試驗地點開挖一定規格的試坑，準備2個鐵環，高度在30～50 cm之間，外環直徑為50 cm，內環直徑為25 cm，2個鐵環同心放置。在試驗過程中要保證2個鐵環內注水的同步性，并且使內環和外環的水頭高度保持一致，一般為10 cm。此外，按一定的時間間隔進行水流量監測，當連續兩次監測水流量之差不大于5%時，即可認為達到相對穩定。此時可通過達西定律得出五彩灣礦區一號礦井沖洪積細砂型包氣帶的滲透系數見式(1)：

(1)

式中：K——滲透系數，cm/s；

Q——入滲的穩定流量，cm3/s；

ω——內環面積，cm2。

3.3 試驗結果及分析

根據研究區選取的4處滲水試驗地點、試驗方法、試驗過程以及試驗原理，對研究區各試驗點滲透系數進行了計算，包氣帶滲透系數計算結果見表1。

表1 包氣帶滲透系數計算結果

由表1結果可以看出，研究區內主井工業場地、副井工業場地、臨時排矸場以及副井工業場地南側的滲透系數分別為0.009 cm/s、0.007 cm/s、0.005 cm/s和0.007 cm/s，根據國家規范《環境影響評價技術導則地下水環境》(HJ610-2011)中對包氣帶滲透性能的評判標準可看出，五彩灣礦區一號礦井沖洪積細砂型包氣帶的防污性能均為“弱”級別。

4 研究區土壤質量分析

當后續礦井開發后，產生的煤矸石勢必會對研究區的土壤和地下水造成一定污染和影響。因此，在區內工業場地上游、下游以及臨時排矸場上游、下游等位置進行了土壤樣采集工作。通過土壤環境質量評價結果可知：在工業場地上游及下游、臨時排矸場上游及下游采集的4組土壤樣品，并按照國家規范《土壤環境質量標準》(GB15618-1995)進行了評價，其評價結果顯示：各項檢測項目均未超標。由于五彩灣礦區一號礦井目前尚未開采，因此浸溶試驗選擇在煤質相似的天池能源大井礦區南露天煤礦進行。本次共在該礦井2處位置采集了煤矸石樣品，每處樣品均采集5組進行平行檢測樣，共計采集10組樣品。檢測項目包括pH、總銅、總鋅、總鎘、總鉛、總鉻、六價鉻、總汞、總鈹、總鋇、總鎳、總銀、總砷、總硒、烷基汞、無機氟化物、氰化物、COD、石油類、揮發酚、硫化物、錳、總硬度、溶解性總固體、硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫酸鹽、氯化物以及苯并(a)芘等29項。

按照《危險廢物鑒別標準》(GB5085.3-2007)對煤矸石浸出液進行危險廢物鑒別，鑒別結果顯示：10組煤矸石樣品浸出液中各項目檢測值均未達到危險廢物的限值，因此判定煤矸石不屬于危險廢物，為一般固體廢物。經與《地下水質量標準》中的Ⅲ級標準值對比發現，煤矸石樣品浸出液中各項目均未超標，因此判定后期礦井開發后產生的煤矸石經雨水淋濾后不會對五彩灣一號礦井的地下水造成污染和影響。

5 結論

本文通過對新疆五彩灣礦區一號礦井沖洪積細砂型包氣帶結構防污性能的分析和研究，可以得出以下結論：

(1)研究區位于準噶爾盆地東南部的五彩灣地區，勘察區內第四系含水層分布廣泛，地下水類型為松散巖類孔隙潛水，含水層巖性主要為細砂和砂礫石。

(2)研究區內包氣帶巖性為第四系上更新統沖洪積細砂型，該類沖洪積細砂型包氣帶結構在準東煤田能源基地具有一定的廣泛性，其厚度一般小于3 m，且區內包氣帶厚度變化趨勢并不明顯，在空間分布上呈現出“南北厚中間薄”的特征。

(3)通過對研究區包氣帶防污性能的研究，其滲透系數在0.005～0.009 cm/s之間，防污性能評價級別均為“弱”等級；此外，通過對土壤環境質量評價結果可知，研究區內土壤各項檢測項目均未超標；最后，根據對煤矸石浸出液進行浸溶試驗可知，10組煤矸石樣品浸出液中各項目檢測值均未達到危險廢物的限值，因此判定煤矸石不屬于危險廢物，并經雨水淋濾后也不會對地下水造成污染。

參考文獻：

[1] 尹淮新. 新疆準東煤田應用煤炭地下氣化技術的探討[J]. 中國煤炭, 2009(5)

[2] 劉巍, 王濤, 汪君等. 準東煤田露天礦區降塵、土壤重金屬分布特征及生態風險評價[J]. 中國礦業, 2017(1)

[3] 李鑫, 莊新國, 周繼兵等. 準東煤田中部礦區西山窯組巨厚煤層煤相分析[J]. 地質科技情報, 2010(5)

[4] 曾強, 李根生, 金士魁等. 準東大井礦區主采煤層自燃氧化特性試驗研究[J]. 中國礦業, 2017(1)

[5] 楊建軍, 張園園, 周耀治等. 新疆準東露天煤礦生態安全評價研究[J]. 中國礦業, 2015 (10)

[6] 李杰彪, 蘇銳, 周志超等. 高放廢物處置庫預選場址包氣帶土壤滲透性研究[J]. 土壤學報, 2015 (6)

[7] 丁志農. 污水下滲型地下水反漏斗的污染預測[J]. 工業安全與環保, 2008 (6)

[8] 陳凱, 王文科, 李崇博等. 準東煤田五彩灣礦區一號礦井水文地質條件分析[J]. 中國礦業, 2018(3)

[9] 陳凱, 王文科, 李升等. 準東煤電二號礦井包氣帶結構滲透性能研究[J]. 中國礦業, 2017(7)

[10] 馬文清. 五彩灣礦區一號礦井地下水水文地質參數獲取的試驗研究[J]. 地下水, 2017 (3)